总第１８５期 ２０１２年４月 南方金属 Ｓｕｍ．１８５ Ａｐｒｉｌ ２０１２ ＳＯＵＴＨＥＲＮ ＭＥＴＡＬＳ 文章编号：１００９—９７００（２０１２）０２—００４９—０４ ６０６ １铝合金锻件等温锻造的工艺设计 林燕虹 ，彭 燕 （１．广东松山职业技术学院，广东韶关５１２１２６；２．东莞职业技术学院，广东东莞５２３８０８） 摘要：介绍了６０６１铝合金刹车踏杆锻件的生产工艺，针对该项锻件的材料特性、结构特点及技术要求，确定了等 温锻造生产工艺，为该铝合金锻件的生产提供试验依据． 关键词：６０６１铝合金；等温锻造；模具 中图分类号：ＴＧ ３１６．３ 文献标识码：Ａ Ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｆｏｒｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ６０６１ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ＬＩＮ Ｙａｎ—ｈｏｎｇ ＰＥＮＧ Ｙａｎ （１．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｓｏｎｇｓｈａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈａｏｇｕａｎ ５１２１２６，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ； ２．Ｄｏｎｇｇｕａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｄｏｎｇｇｕａｎ ５２３８０８，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｆｏｒｇｉｎｇ，ｏｆ ｔｈｅ ｂｒａｋｅ ｐｅｄａｌ ｆｏｒｉｇｎｇ ｏｆ ６０６１ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ．Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｕｓｔ ｂｅ ｆｏｒｍｕｌａｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒ，ｓｔａｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃ— ｔｅｒ，ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｇｉｎｇ．Ｔｈｅ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｕｍｉｎｕｍ ｆｏｒｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ｅｘ— ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｂａｓｉｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：６０６１ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ；ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｓｔａｍｐｉｎｇ；ｄｉｅ Ｕ 刖 舌 １．１锻件结构特点 模锻工艺和模锻方法与锻件形状密切相关．形 ６０６１铝合金是一种典型的可变形热处理铝合 金，属于是铝一镁一硅系合金，具有良好的综合性 能，其成形方式主要为锻造成形，其锻件被广泛地应 用于汽车、摩托车和游艇上．某工厂的摩托车刹车踏 杆锻件采用６０６１铝合金制造，通过对该项锻件的材 状相似的锻件，模锻工艺流程、锻模结构和模锻设备 基本相同．为了便于拟订工艺规程，加速锻件及锻模 的设计，应将各种形状和模锻件进行分类． 该刹车踏杆锻件的形状如图１所示，锻件具有 较复杂的形状，最大长度尺寸３２３．５ ｍｍ，最大宽度 料特性、结构特点及技术要求进行分析，采用等温模 锻方法制造．并结合该厂的设备条件以及针对等温 锻造的模具材料昂贵、加工困难，模具加热装置复杂 等问题，对模具结构进行了优化设计，制定了合理的 尺寸４５ ｍｍ，最大高度尺寸９ｍｍ，锻件四周（外侧） 的斜度３。，内盲孔的拔模斜度是５。．锻件上、下面具 有复杂曲线形状，锻件两头形状差异很大，尤其大头 一侧的凸耳给成形带来了很大困难．该精锻件锻成 工艺方案，为该铝合金锻件的生产提供试验依据． 后，除了在锻件四周（外侧）有斜度需机加工，其余 为非加工表面．因零件具有复杂不规则形状，需用数 １锻件工艺性分析 锻件的工艺性分析，主要考虑锻件的用料、几何 形状、尺寸精度和表面质量等，下面分别说明． 控铣床加工，这将耗费大量机加工工时和机加工费 用，尤其对较大批量生产，机加工周期太长将导致生 产任务无法按计划完成． 收稿日期：２０１ｌ—ｌ１—０２ 作者简介：林燕虹（１９８４一），女，２０１０年五邑大学机械制造及自动化专业硕士研究生毕业 南方金属 Ｓ０ＵＴＨＥＲＮ ＭＥＴＡＬＳ ２０１２年第２期 图１刹车踏杆锻件 １．２锻件材料特性 该刹车踏杆锻件材料选择的是６０６１铝合金． 铝合金在锻造时通常具有一些特点如流动性 差，在高温范围内变形抗力对变形速度的变化敏感， 锻造温度范围很窄，导电性好等；再加上产品对象加 工成形时变形程度较大，给锻造带来更多的困难．因 ６０６１中的主要合金元素为镁与硅，其主要化学成 分…如表１所示，具有中等强度、良好的可成型性、 抗腐蚀性、可焊接性、氧化效果较好，而且它的相变 此，对复杂铝合金零件，特别是高强度铝合金零件的 成形加工，大多采用等温锻造的方法来完成． 温度和锻造温度均较低，非常适合采用等温模锻方 法制造复杂结构件． 表１ ６０６１铝合金的化学成分 ％ １．３锻件尺寸精度和表面质量 ２．１模具的设计 ２．１．１模具设计方案的确定 在锻造成形的工艺分析和模具设计中，应考虑影 响锻件精度的诸多因素，进行具体分析计算，以确定 锻件的尺寸精度．但是，由于影响因素比较复杂，使得 理论上不易准确地计算．实际上，如能在生产中严格 根据锻造设计情况来分析，该刹车踏杆锻件的 有多种模具方案，可设计一套多模膛模具，分别有拔 长模膛、滚压模膛、粗锻模膛和终锻模膛；也可设计 控制各因素，则锻件的尺寸精度约比模膛精度低２ 级．就精密模锻而言，目前，温锻件的尺寸精度可达４ 级，热锻件可达５级左右．表面粗糙度则取决于坯料 加热时的氧化程度、模膛的表面粗糙度、模锻时的冷 却和润滑以及锻件的冷却条件等 ． 为两套模具，一套用于粗锻，另一套用于精锻．从经 济性和工艺性来看，多模膛模具方案更优． 长轴类锻件的锻打方向和轴线垂直，金属沿轴线 流动困难．因此，复杂的锻件要采用制坯模膛来改变 坯料形状，合理分配金属以适应锻件横截面积和形状 的要求．根据该刹车踏杆锻件的锻造情况，拔长后采 用滚压模膛，滚压工步是通过改变坯料的形状，如减 小某一部分截面积，增大另一部分的截面积，以获得 ２刹车踏杆锻件模具设计 经过对锻件的材料特性、结构特点进行分析，我 们认为采用等温锻造工艺可以满足该锻件的技术要 求，并结合锻件特点、工艺特性进行了模具设计、加 热装置的设计及锻造设备的选择． 接近计算毛坯图形和尺寸的坯料的制坯工步．原始坯 料经过拔长后再进行滚压可使中间坯料长度准确，表 面光圆．本锻件采用闭式滚压如图２所示． （ａ）拔长模膛 （ｂ）滚压模膛 图２多模膛模具 总第１８５期 林燕虹，等：６０６１铝合金锻件等温锻造的工艺设计 ５ｌ 与普通模锻相比，精密模锻具有提高锻件的尺 寸精度和表面质量的优点．精密模锻工艺能获得表 面质量好、机械加工余量少且尺寸精度较高的锻件． 终锻模膛是为锻件的精密模锻设计的．如图３所示． 一／ — ；苎＝ ：，１— １’、 ｌ＼＝一＝一———二 ，’－一 一．－．—， ／－— 、— —一－一：＝ ｒ＇－－－．＿＇ －．． ＿—— ’＼ 图３闭式精密模膛与粗锻模膛 １一粗锻模膛；２一精密模膛 ２．１．２模具的材料选择 等温锻造的模具材料主要根据变形温度进行选 择，因此，模具材料必须满足锻造温度下的使用范 围，常用的有热作模具钢、铁基高温合金、镍基高温 合金、铝合金以及陶瓷等．由于６０６１合金锻造温度 较低，模具材料初选５ＣｒＭｎＭｏ，该材料能满足该合 金锻件等温锻造的使用要求，长时间加热模具也不 会产生变形，确保等温锻件外形尺寸的要求，且材料 费用较低，经济实用． ２．１．３模具的出模锻斜度和钳口 由于该厂现用的锻造设备没有顶出机构，为了 便于脱模，锻件表面上需有模锻斜度．模锻斜度的作 用是使锻件成形后能从型槽内顺利取出．锻件外壁 上的斜度称为模锻斜度Ｏｔ，锻件内壁上的斜度称为 模锻斜度 ．当锻件终锻成形后，温度继续下降，外 模锻斜度上的金属由于冷缩而有助于锻件出模，内 孔因冷缩反而将型槽中突起部分夹得更紧，阻碍锻 件出模．所以，在同一锻件上，内模锻斜度应比外模 锻斜度大．本锻件粗模锻时铝合金锻件的内模锻斜 度为５～７。，外模斜度为３～５。，其拔模斜度公差都 为４。；精密模锻时铝合金锻件的内模锻斜度为３～ ５。，外模斜度为１～３。，其拔模斜度公差都为３。． 预锻型槽和终锻型槽上有一处特制凹腔，一般 称为钳口，如图４所示．钳口主要是用来容纳夹持坯 料的夹钳，以便于锻件从型槽中取出．制造椴模时， 钳口另一作用是作浇铝水或金属盐的浇口，以复制 型槽的形状，一般作检验用．钳口与型槽间的沟槽称 为钳口颈，其作用也是为了浇铝水或金属盐，更重要 是为了增加锻件与钳夹头连接的刚度，有助于锻件 出模． ‘、１ １卜，／ ／ ！、／ Ｉ图４钳口示意 ２．１．４模具的导向装置 上、下模分别固定在上、下垫板上，为了减少上、 下模错移，模具设计有导向装置．本模具的导向采用 圆形截面的导柱和导套相配合来起作用．导柱、导套 的设置一般设在模板的四边角部位，共四套，其中最 好有一个位置错开，这样，当动、定模板合拢时，即使 发生方向错误，也能避免错误合拢．导柱和导套的中 心位置与模板边缘距离可采用模板的导套孔直径的 １．２５～１．５倍．在每对导柱、导套的分离部位上开 有起模槽，便于将动、定模撬开．在模板上，装有导套 孔的后面，开有通气槽，其作用是消除合模时导套孔 内的气体因受压缩而产生反压力造成的影响，使得 合拢过程能顺利进行． ２．１．５模具的润滑 由于铝合金的摩擦系数较大，加上等温变形时 变形速度较低，因此，较低的变形速度增大了摩擦系 数，给金属充填模具型腔和锻件出模带来了困难．因 此，润滑剂的选择是等温变形过程中的关键问题之 一．本试验选用水剂石墨，它在５００℃以下长时间保 温时脱模性和润滑性良好．等温成形前先将锻坯和 模具预热，再把调配好的润滑剂均匀的涂敷在锻坯 和模具型腔表面上，然后加热到指定的变形温度． ２．２加热炉的设计 相关资料表明，铝合金的变形温度基本上在 ３５０～５００℃之间，而６０６１铝合金的锻造温度范围 为４３２～４８０．由于铝合金的锻造温度范围很窄，所 以一般都采用能精确控制加热温度的箱式电阻炉进 行加热，温差控制在±１０℃以内．根据锻压模具的 形状、尺寸、以及液压机的工作情况，同时考虑到良 好的热交换条件，保持模具加热温度的均匀性，减少 热损失等，本模具采用电阻丝加热模具．为了避免挤 压模具、模座等与电热元件相碰撞，在电阻丝的外面 包裹着瓷管，在整个装置的外面包裹上耐火纤维毡 用来保温．采用了ＸＭＴ一１０１数显温控装置调节温 ５２ 南方金属 ＳＯＵＴＨＥＲＮ ＭＥＴＡＩ ２０１２年第２期 度的变化．该温度控制仪器的测温范围为０～ １ ３００。【＝，测温精度为４－１ ｏＣ，线圈电压为３８０ Ｖ，具 有过电压、过电流断电保护功能． ２．３锻造设备 根据锻件的外形尺寸、材料特性，通过公式计算 可以得出锻件成形所需锻压力．锻造所需的锻压力 可按经验公式（１）计算． Ｆ０＝Ｋ１Ｋ２ Ａ （１） 式中：Ｋ．——应变速度系数，查表得Ｋ ＝１．３； ——变形方式和摩擦系数影响系数，精密锻造 ＝６，粗锻造Ｋ２＝３； ——终锻温度下坯料真实屈 服强度（ＭＰａ），查表得 ＝１６ ＭＰａ；Ａ——锻件在与 锻压力方向垂直的方向上的投影面积（ｍｍ ），通过 计算得Ａ＝８９４８．９１２６ ｍｍ ． 为了安全，选用的锻造设备的额定吨位Ｆ值可 按式（２）计算： Ｆ＝（１．２～１．２５）Ｆ。 （２） 整理得：Ｆ】＝１．２×１１１．８ｋＮ １３４０．１６ｋＮ，Ｆ２＝ １．２×５５８．４ｋＮ ６７０．１ｋＮ． 根据工厂锻压设备的情况及等温锻造的特点， 锻造刹车踏杆所选择的设备是液压机，２ ０００ ｋＮ四 柱液压机，型号为Ｙ３２—２００，设备横梁速度为２ ｍｍ／ｓ，其主要参数如表２所示． 表２ 四柱单动液压机 型号 Ｙ３２—２００ 公称力／ｋＮ ２ ０ｏ０ 最大工作压力／ＭＰａ ２０ 最大行程／ｍｍ ７００ 最大闭合高度／ｍｍ １ １５０ 最小闭合高度／ｍｍ ４５０ 执行标准 ＧＢ１７１２０—１９９７ ３刹车踏杆锻件工艺流程 等温成形工艺作为一种先进的生产工艺，其优 越性是无可置疑的，但坯料的成形质量直接影响着 最终锻件质量，因此，制坯工步的设计是关键，此类 锻件制坯工步的选择取决于制坯工步变形量．制坯 工步变形量大小可用金属流人头部系数Ｏ／、金属轴 向流动系数／３、杆部锥度Ｋ和锻件重量ｍ四个指标 来衡量．这四个变形指标越大，制坯难度就越大． 大表示流到头部金属多， 大表示金属轴向流动量 大；Ｋ大表示锥度大，小头金属过剩多；ｍ大表示锻 件重量大．本踏杆锻件ｍ、ｏｔ、 比较大，需要拔长制 坯．拔长的作用是减少坯料某一部分的截面积，同时 增大该处的长度，对金属进行再分配，为终锻制坯． 因０．０２＜Ｋ＝０．０１８７５＜０．０５，宜用拔长加上闭式滚 压制坯．为易于充满，应选用方坯料，由于体积成形 时铝合金内部的缺陷（如缩松、缩孔）会被压实，体 积会变小一点，所以毛坯体积取得相对大一点．经计 算以及考虑夹钳方便，试锻下料为２５ ｍｍ×２００ ｍｍ．所以，此锻件制坯工步采用先拔长，后闭式滚 压． 由于锻件的截面变化比较大，外形复杂，须设计 合理的形状尺寸方能满足锻件的成形要求．经过对 锻件的材料特性、结构特点进行分析，我们选择了如 图５所示的工艺方案． １ １ Ｉ｛ 匝 ｌ 匝国ｉ 厂 Ｉ＂－－￣Ｉ ｉ 冲裁（飞边） 二二［ 预热３￣４００℃ 二二［ 精锻 锻后工序（冲孔，刻字） 图５工艺方案 ４结语 在试制或小批量生产时，采用整体式简单等温 锻模具，也可保证铝合金复杂锻件（最小模锻斜度） 顺利成形．试验结果表明，对于具有高筋薄腹板、凸 耳等复杂形状的铝合金锻件，采用较精确制坯加小 毛边等温成形是一条可行的工艺路线． 参考文献 ［１］潘复生，张丁非．铝合金及应用［Ｍ］．北京：化学工业 出版社，２００６：３７． ［２］郝滨海．锻造模具简明设计手册［Ｍ］．北京：化学工业 出版社。２００６：８．